從顛倒溫度計(jì)、漂流瓶到“感應(yīng)耦合傳輸CTD”“定點(diǎn)式溫鹽深測(cè)量系統(tǒng)”——新中國海洋水文調(diào)查設(shè)備的演變

海洋水文調(diào)查作為海洋調(diào)查的基本內(nèi)容之一，也經(jīng)歷了從無到有，能力從弱到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變，調(diào)查設(shè)備不斷更新?lián)Q代，許多設(shè)備從調(diào)查初期的仿制到如今自主研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。
我國在海洋水文調(diào)查中使用的調(diào)查設(shè)備隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷更新?lián)Q代，大致可分為3個(gè)階段。
第一階段為20世紀(jì)80年代以前，調(diào)查設(shè)備主要是機(jī)械式的，體積普遍較大，操作較為復(fù)雜，精度和穩(wěn)定度較差，如表面溫度表、顛倒溫度表、雙聯(lián)浮筒測(cè)流裝置、印刷海流計(jì)、直讀式海流計(jì)、手搖絞車等；
第二階段為20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初期，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸開始使用以電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化為主的裝備，測(cè)量精度、靈敏度、穩(wěn)定度等大大提高，如溫鹽深剖面測(cè)量系統(tǒng)（CTD）、聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）等；
第三階段為21世紀(jì)至今，隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和遙感技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，除了CTD、ADCP等設(shè)備不斷升級(jí)外，結(jié)合實(shí)時(shí)、自主式、長時(shí)間序列觀測(cè)的需要，出現(xiàn)了船載測(cè)波雷達(dá)、自沉降式剖面測(cè)量系統(tǒng) （Argo浮標(biāo)）、拋棄式溫鹽深剖面測(cè)量系統(tǒng)（XBT、XCTD）以及潛標(biāo)、浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)等，發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化。
顛倒采水器（中國海洋檔案館館藏）

實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)（中國海洋檔案館館藏）
海流計(jì)（中國海洋檔案館館藏）
國產(chǎn)6000米級(jí)“深海玄武”浮標(biāo) （圖源：杭州全球海洋Argo系統(tǒng)野外科學(xué)觀測(cè)研究站）

我國首批國產(chǎn)深海Argo浮標(biāo)漂移軌跡（至2024年1月7日，圖源：杭州全球海洋Argo系統(tǒng)野外科學(xué)觀測(cè)研究站）新中國成立初期

新中國成立以后，我國開始重視海洋調(diào)查。20世紀(jì)50年代中期，我國開始將漁船、拖船、舊軍用輔助船等改造成海洋調(diào)查船，摸索積累近海調(diào)查的經(jīng)驗(yàn)。1958年９月至1960年12月開展的“全國海洋綜合調(diào)查”開啟了我國大規(guī)模海洋水文調(diào)查的序幕，此次調(diào)查歷時(shí)2年多，為我國海洋科學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)80年代前，溫鹽觀測(cè)設(shè)備主要依賴進(jìn)口設(shè)備和仿制的國外某些常規(guī)產(chǎn)品，設(shè)備基本都是純機(jī)械式的，如顛倒溫度表、表面水銀溫度表、機(jī)械式深度溫度計(jì)、氯度滴定計(jì)等。海流觀測(cè)設(shè)備主要是純機(jī)械式海流計(jì)，如厄克曼海流計(jì)、印刷海流計(jì)。海浪觀測(cè)手段主要依靠人工測(cè)波，利用望遠(yuǎn)鏡、秒表等輔助設(shè)備，用純?nèi)斯さ姆椒ㄓ^測(cè)波浪要素。我國的海洋浮標(biāo)研制起步于1965年，首套浮標(biāo)為船型結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)70年代，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所自主研制了HFB-1型海洋水文氣象浮標(biāo)，曾在我國的海洋環(huán)境觀測(cè)中發(fā)揮過重要作用。

1958年，我國第一次開展“全國近海海洋綜合調(diào)查”。圖為調(diào)查人員現(xiàn)場(chǎng)取樣。（中國海洋檔案館資料照片）

**“漂流瓶”，起初是一種用于測(cè)量海洋表層流的工具。**上世紀(jì)60年代，新中國海洋事業(yè)剛剛起步，海上航行安全和海洋科學(xué)研究都迫切需要海洋數(shù)據(jù)，一個(gè)用漂流瓶觀測(cè)中國沿海漂流狀況的項(xiàng)目悄然而生。由國家海洋局牽頭組織實(shí)施，首先以黃渤海區(qū)域?yàn)樵圏c(diǎn)，具體工作由海洋一所負(fù)責(zé)。由于多方面的原因，該計(jì)劃沒有繼續(xù)在東海和南海實(shí)施。據(jù)檔案記載，試點(diǎn)工作為七十年代中期繼續(xù)在黃海區(qū)域施放漂流瓶計(jì)劃的實(shí)施奠定了很好基礎(chǔ)。該計(jì)劃成功地獲取了一批漂流數(shù)據(jù)，研究人員利用這些數(shù)據(jù)對(duì)黃渤海區(qū)的表面流若干特征進(jìn)行了分析和討論。

顛倒溫度計(jì)

（顛倒溫度計(jì)是一種特殊的液體溫度計(jì)，與普通的水銀溫度計(jì)的測(cè)溫原理是相同的，即水銀的熱漲冷縮。不同之處在于它的結(jié)構(gòu)和制作方法上。顛倒溫度計(jì)的毛細(xì)管是真空的。由于重力的作用，顛倒時(shí)球部的一部分水銀由毛細(xì)管流向接受泡；另一部分水銀由貯蓄泡經(jīng)過狹窄處的盲枝時(shí)，由于表面張力的作用，水銀就在此中斷。此時(shí)不管溫度計(jì)的水銀是膨脹還是收縮，球部水銀都不會(huì)越過盲枝進(jìn)入毛細(xì)管中。因此，當(dāng)顛倒溫度表從海水中取上來后，溫度表示數(shù)即為顛倒處的溫度和深度。）

表層溫度計(jì)和顛倒溫度計(jì)

印刷式海流計(jì) 天津海洋氣象儀器廠（仿蘇聯(lián)阿力克賽海流計(jì)）

印刷式海流計(jì)是船用或浮標(biāo)用的定點(diǎn)自記測(cè)流儀器，依據(jù)旋漿葉片受水流推動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù)來確定流速，并用磁盤確定流向，其中代表性產(chǎn)品是天津氣象海洋儀器廠仿制的HLJ1型印刷海流計(jì)，它曾在我國早期海流觀測(cè)中發(fā)揮過重要作用并一直沿用至80年代中期，其流速為3～148cｍ/s，流向?yàn)?°～360°（精度±5°），印刷時(shí)間間隔為5、10、15、20、30、60分鐘6種，最長連續(xù)工作時(shí)間為57天，最大使用深度為250m（HLJ1-1型）和1200m（HLJ1-2型）。但受制于國內(nèi)的工業(yè)和電氣化水平，并沒有形成產(chǎn)品生產(chǎn)能力。

80-90年代 走向國際

20世紀(jì)80年代，溫鹽觀測(cè)設(shè)備方面，我國成功研制了最大工作深度分別為60m 、1000m、3000m 、6000m的實(shí)時(shí)傳輸和自容式的溫鹽深剖面儀。如國家海洋局海洋技術(shù)研究所研制的SZC11型6000m溫鹽深自記儀，在1985年的西北太平洋錳結(jié)核調(diào)查和1987年中日聯(lián)合黑潮調(diào)查中發(fā)揮了重要作用。1984年，國家海洋局第三海洋研究所研制了SZC7-2型拋棄式溫深儀。
當(dāng)時(shí)，“厄爾尼諾”現(xiàn)象和“拉尼娜”現(xiàn)象在太平洋東西跨度數(shù)萬公里和南北跨度數(shù)千公里持續(xù)出現(xiàn)，導(dǎo)致了全球氣候異常。為此，中國和美國聯(lián)合開展了海氣合作調(diào)查，通過中美海氣調(diào)查，我們獲得了有關(guān)西太平洋大量系統(tǒng)而全面的海洋和大氣資料，根據(jù)這些資料，首次成功地預(yù)報(bào)了1986-1987年發(fā)生的厄爾尼諾現(xiàn)象。此時(shí)使用的儀器設(shè)備就有美方提供的CTD和絞車等。
CTD(Conductivity,Temperature,Depth，溫鹽深儀）主要由水中探頭和記錄顯示器及連接電纜組成，可以用于測(cè)量水體的電導(dǎo)率，溫度及深度三個(gè)基本的水體物理參數(shù)。由熱敏元件和壓敏元件等構(gòu)成的探頭與顛倒采水器一并安裝在支架上，可投放到不同深度；記錄顯示器，除接收、處理、記錄和顯示通過鎧裝電纜從海水中探頭傳來的各種信息數(shù)據(jù)外，還充當(dāng)著整套設(shè)備的操縱器。

布放CTD

而比CTD使用更為便利的是投棄式溫深剖面儀（XBT）。XBT是一種一次性使用、可在搭載平臺(tái)（船、飛機(jī)、潛艇等）航行狀態(tài)下進(jìn)行海洋環(huán)境參數(shù)剖面測(cè)量的儀器設(shè)備，具有實(shí)時(shí)、快速、大面積和低成本的特點(diǎn)。

XBT

“九五”以來，溫鹽傳感器在國家“863”計(jì)劃的支持下快速發(fā)展，攻克一些關(guān)鍵技術(shù)，取得了一批高新技術(shù)成果，但距離世界先進(jìn)水平還有一定的差距，特別在深遠(yuǎn)海調(diào)查設(shè)備方面差距更大。我國深遠(yuǎn)海調(diào)查中，溫鹽測(cè)量主要有船載觀測(cè)、走航觀測(cè)、錨系觀測(cè)和拋棄式觀測(cè)等４種方式。
大范圍的海洋調(diào)查中常輔以拋棄式溫鹽深儀（XCTD）和拋棄式溫深計(jì)（XBT）等，常用的有日本TSK公司的XCTD和XBT。此外，根據(jù)海洋調(diào)查的不同需求，CTD上一般還會(huì)搭載各類傳感器，如溶解氧、pH、濁度和葉綠素等傳感器。

深海輕型觀測(cè)浮標(biāo)

在國家“863”計(jì)劃等項(xiàng)目的支持下，我國研制成功了直徑3～10m的一系列浮標(biāo)產(chǎn)品，海洋資料浮標(biāo)能夠長期、連續(xù)、全天候自動(dòng)觀測(cè)，可以獲取海洋水文、氣象、水質(zhì)、生態(tài)、動(dòng)力等海洋環(huán)境參數(shù)。
80年代中后期我國開始使用岸基光學(xué)測(cè)波儀，也屬于人工觀測(cè)。90年代，隨著浮標(biāo)技術(shù)的不斷進(jìn)步，波浪浮標(biāo)成為海浪觀測(cè)的主力設(shè)備，波浪浮標(biāo)一般都采用球體設(shè)計(jì)，以便具備良好的隨波性。

20世紀(jì)80年代，海流觀測(cè)主要使用直讀式海流計(jì)、數(shù)字式轉(zhuǎn)子海流計(jì)和聲學(xué)海流計(jì)。此外，國外的海流觀測(cè)設(shè)備逐步進(jìn)入中國市場(chǎng)，如挪威安德拉RCM系列海流計(jì)、日本ALEC公司的AEM213-D型直讀式電磁海流計(jì)等。20世紀(jì)90年代后，隨著聲學(xué)多普勒流速剖面（ADCP）技術(shù)的發(fā)展，ADCP成為主要的海流觀測(cè)設(shè)備。根據(jù)安裝方式的不同，ADCP可以分為走航式、坐底式、錨系式、拖曳式等幾種。

Workhorse ADCP(聲學(xué)多普勒流速剖面儀)

目前國產(chǎn)ADCP產(chǎn)品中，中國船舶715研究所生產(chǎn)有SLS系列自容式ADCP和SLC系列走航式ADCP，中國科學(xué)院聲學(xué)所研制的RIV300、RIV600、RIV1200系列自容式ADCP等，部分產(chǎn)品性能已能達(dá)到國際先進(jìn)水平。21世紀(jì) 從跟跑到領(lǐng)跑

OST15M海試現(xiàn)場(chǎng)

國家海洋技術(shù)中心已成功研制了”OST”全系列溫鹽深測(cè)量儀，可適用于多種應(yīng)用平臺(tái)和海區(qū)，包括南北極海域、萬米級(jí)深海海域。
其中，2020年，“感應(yīng)耦合傳輸CTD”搭載漂流浮標(biāo)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了南極西風(fēng)帶海域無故障運(yùn)行200天，搭載潛標(biāo)平臺(tái)在西太平洋海域無故障運(yùn)行370天。“定點(diǎn)式溫鹽深測(cè)量系統(tǒng)”應(yīng)用海試突破5915米，創(chuàng)造了國產(chǎn)高精度溫鹽深測(cè)量儀最大試驗(yàn)水深記錄。科研人員還對(duì)20世紀(jì)研發(fā)的SYA2系列實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)進(jìn)行了升級(jí)，研制出了測(cè)量準(zhǔn)確度更高、可靠性更強(qiáng)、自動(dòng)化程度更高的新一代 “SYA3-1實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)”，經(jīng)第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢定，性能已達(dá)國際先進(jìn)水平。
2012年，由國家海洋局第一海洋研究所自主集成研發(fā)的我國首套深海浮標(biāo)“白龍浮標(biāo)”布放安達(dá)曼海，2019年，中國第35次南極考察隊(duì)在西風(fēng)帶布放了我國首個(gè)西風(fēng)帶環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)。此外，我國也研制了海洋剖面觀測(cè)浮標(biāo)（Argo浮標(biāo)）、通量觀測(cè)浮標(biāo)、核輻射監(jiān)測(cè)浮標(biāo)、海冰浮標(biāo)、光學(xué)浮標(biāo)、聲學(xué)浮標(biāo)、赤潮浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)、子母浮標(biāo)、通信中繼浮標(biāo)等專用浮標(biāo)。

布放我國首個(gè)西風(fēng)帶環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)

潛標(biāo)系統(tǒng)作為海洋調(diào)查的重要設(shè)備之一，一般由水下部分和水上甲板單元組成。水下部分主要包括主浮體、探測(cè)傳感器、纜繩、玻璃浮球、聲學(xué)釋放器、重力錨等組成。我國潛標(biāo)系統(tǒng)的研制工作始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過30余年的發(fā)展，我國的潛標(biāo)技術(shù)在設(shè)計(jì)建模、布放深度、系統(tǒng)回收率和可靠性等方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。中國海洋大學(xué)首次在我國南海建設(shè)了國際上最大規(guī)模的區(qū)域潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)。
回收萬米錨系潛標(biāo)系統(tǒng)

2017年，中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所在馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者”深淵中布放回收了萬米錨系潛標(biāo)系統(tǒng)，獲得了深淵中多層深度近一年的溫鹽和海流連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。
2010年由中科院海洋所成功發(fā)起的NPOCE國際合作計(jì)劃，在西太平洋設(shè)計(jì)規(guī)劃了包括潛標(biāo)、衛(wèi)星SST、SSH、傳統(tǒng)斷面等綜合觀測(cè)項(xiàng)目。以此為契機(jī)，中國科學(xué)院在戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助下，建成了由16套深海潛標(biāo)組成的我國西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，獲取西太平洋代表性海域連續(xù)多年的溫度、鹽度和洋流等數(shù)據(jù)。
“科學(xué)”號(hào)完成西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)升級(jí)

目前海浪觀測(cè)方面，除波浪浮標(biāo)外，海浪測(cè)量設(shè)備主要還有海洋衛(wèi)星和測(cè)波雷達(dá)， 如“海洋二號(hào)”系列衛(wèi)星，包括2011年發(fā)射的HY-2A衛(wèi)星、2018年發(fā)射的HY-2B衛(wèi)星以及2018年發(fā)射的中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）等，可對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)、海流、海浪、海面溫度等海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)進(jìn)行全天時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)。測(cè)波雷達(dá)方面，國家海洋技術(shù)中心、哈爾濱工程大學(xué)、中國海洋大學(xué)等均研制了相關(guān)的Ｘ波段測(cè)波雷達(dá)樣機(jī)，也引進(jìn)了如德國ＯceanWaves公司生產(chǎn)的WaMos Ⅱ測(cè)波雷達(dá)等相關(guān)設(shè)備。
海洋二號(hào)D星是國家空間基礎(chǔ)設(shè)施海洋動(dòng)力衛(wèi)星系列的第三顆業(yè)務(wù)衛(wèi)星，將與海洋二號(hào)B星、海洋二號(hào)C星等構(gòu)成我國海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星星座

信息來源： 1.海洋科普（1394）| 我國海洋水文調(diào)查設(shè)備的發(fā)展歷程.中山大學(xué)海洋科學(xué)，2021-03-312.海洋科普（1783）| 中國海洋調(diào)查的前世今生.中山大學(xué)海洋科學(xué)，2022-07-153.海洋科普丨中國海洋調(diào)查的前世今生.威海海洋監(jiān)測(cè)減災(zāi)，2022-07-204.中國海洋檔案館館藏
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